ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1995 года по МПК F02K9/30 

Изобретение относится к двигателестроению и может применяться при создании двигателей, используемых для вращения различных механизмов и машин.

Известны двигатели внутреннего сгорания (ДВС), использующие газ в качестве топлива и применяемые для обеспечения мощностью различных объектов и устройств [1].

Известен двухходовой ДВС, содержащий корпус, камеры сгорания, карбюратор, компрессионную камеру, системы зажигания и охлаждения, газоходные каналы и турбину [2]. Недостатком такого ДВС является повышенная масса и низкий ресурс.

Целью изобретения является повышение эффективности за счет снижения массы и нагрузок, увеличения ресурса и упрощения конструкции.

Для этого двигатель может быть выполнен в одноконтурном и двухконтурном вариантах по закрытой и открытой схемам. Он содержит корпус с полым валом, на котором попарно размещены камеры сгорания, являющиеся фактически детонационными камерами. Эти камеры содержат свечи системы зажигания, а вал связан с одной стороны с магистралью подачи горючего (газа, распыленного жидкого топлива и т.п.), а с другой стороны с патрубками подвода камер сгорания.

При выполнении двигателя в одноконтурном варианте по закрытой схеме магистраль подачи окислителя также размещена в полом валу и соединена патрубками подвода камер сгорания, а корпус выполнен герметичным и снабжен выхлопной трубой. При выполнении двигателя по открытой схеме корпус выполнен негерметичным либо отсутствует, окислителем является окружающий воздух, всасывающийся в камеры сгорания прямо из атмосферы, а выхлопные газы выбрасываются из камер сгорания прямо в окружающую среду. Полный вал при этом заканчивается выходным хвостовиком, с которого и снимается крутящий момент.

При выполнении двигателя в двухконтурном варианте он снабжен внутренним герметичным корпусом с механизмом внутреннего зацепления (зубчатым венцом), а на полом валу находится зубчатое колесо, находящееся в контакте с зубчатым колесом выходного вала (хвостовика), которое, в свою очередь, контактирует с механизмом зацепления внутреннего герметичного корпуса. Внутренний герметичный корпус размещен в основном корпусе и связан с коллектором выхлопной трубы. На внутренней поверхности внутреннего герметичного корпуса расположены газодинамические ребра.

Камера сгорания может быть выполнена трубчатой и сопловой. В первом случае она может быть снабжена на выходном срезе пластинчатым запорным клапаном и связана в торцовой части с патрубками подвода. Во втором случае в докритической части сопла может быть установлен пластинчатый запорный клапан. Патрубки подвода камер сгорания могут быть выполнены в виде нормально открытых пластинчатых клапанов.

На фиг.1 показана схема двигателя в одноконтурном варианте по закрытой схеме; на фиг. 2 - то же, в двухконтурном варианте по закрытой схеме; на фиг. 3 - то же, в одноконтурном варианте по открытой схеме; на фиг.4 и 5 - варианты размещения камер сгорания на валу; на фиг.6 - электрическая схема системы зажигания с общим питанием свечей; на фиг.7 и 8 - трубчатая и сопловая камеры сгорания соответственно, вид сбоку; на фиг.9 - трубчатая камера сгорания при "открытой" схеме двигателя; на фиг.10 - примерный график изменения давления на дне трубчатой камеры сгорания; на фиг.11 - диаграмма цикла работы камеры сгорания в Т-S координатах (АБ - взрыв смеси, БВ - выброс продуктов детонации, ВА - всасывание); на фиг.12 - внутренний герметичный корпус в разрезе; на фиг.13 и 14 - примеры размещения детонационных двигателей на автомобиле и вертолете соответственно; на фиг.15 - система зажигания с индивидуальным питанием свечей; на фиг.16 - результирующий момент двигателя с двумя параметрами камер сгорания (а - первая пара, б - вторая пара, в - результирующий момент).

Двигатель состоит из корпуса 1, полого герметизированного вала 2 и выходного вала 3, впускных устройств 4 и камер 5 сгорания, источника 6 горючего (газа) с запорным элементом (редуктором) 7, питающего коллектора 8, системы зажигания с аккумулятором 9, выхлопной трубы 10, магистрали 11 окислителя.

Магистраль 11 находится внутри вала 2, являющегося одновременно магистралью горючего, они жестко связаны и сообщаются с камерами 5 сгорания посредством устройств 4. Источник 6 через редуктор 7 и коллектор 8 сообщается с полостью вала 2, аккумулятор (генератор) 9 контактирует с выводами свечей 12, размещенных в камерах 5 сгорания.

При одноконтурном выполнении двигателя вал 3 жестко связан с валом 2 и является его продолжением в виде хвостовика (фиг.1), а при двухконтурном вал 3 связан зубчатой передачей с внутренним герметичным корпусом 13, который насажен на вал 2 через подшипник с уплотнением и снабжен изнутри газодинамическими ребрами 14 и коллектором 15, связанным с трубой 10.

Воздух (окислитель) в магистраль 11 может подаваться как от пневмобаллона с запорным элементом (по аналогии с подачей горючего), так и с помощью вентилятора (не показан), приводимого от вала 3, либо под действием собственного напора при размещении двигателя на движущихся объектах (машинах, вертолетах и т.п.).

Возможно выполнение двигателя и по "открытой" схема (фиг.3), когда воздух подается не по специальной магистрали 11, а через пластинчатый клапан 16 от встречного потока воздуха, что также характерно при расположении двигателя на автомобилях, вертолетах и т.п. Корпус 1 при этом может отсутствовать.

Камеры 5 сгорания размещены на валу 2 попарно и могут быть выполнены как разнесенными (фиг.4), так и совмещенными (фиг.5) в зависимости от конкретного назначения двигателя. Важно, чтобы обеспечивалось совмещение центра масс конструкции с осью вала 2.

Система зажигания содержит прерыватель 17, связанный с системой управления 18 двигателя и обеспечивающий требуемую частоту возникновения искрового разряда на свечах 12. Прерыватель 17 может быть выполнен в виде нормально разомкнутых контактов реле с электромагнитным управлением или по какой-либо другой известной схеме. В состав системы зажигания входят также кольцевые коллекторы 19 и 20 на валу 2 (фиг.6), связанные с проводами свечей 12. Возможен вариант, когда каждой паре камер 5 соответствуют собственные коллекторы 19 и 20, прерыватель 17 и коммутационные провода к свечам 12.

Камеры 5 сгорания могут быть выполнены как в трубчатом (фиг.7), так и в сопловом (фиг. 8) вариантах. Первый вариант характеризуется исключительной простотой, а второй - максимальным использованием энергии импульса. Камеры 5 могут содержать запорные клапаны 21 (на фиг.7,8 они показаны в пластинчатом варианте, когда они автоматически перекрывают отверстия камер 5 под действием центробежной силы), предотвращающие нежелательную утечку гремучей смеси в корпус 1 или 13.

Для двигателей, работающих в стационарном режиме (при стабильной внешней нагрузке и с постоянной частотой срабатывания прерывателя 17), клапаны 21 могут отсутствовать, если выполняется условие: время между проскакиванием искры на свечах 12 меньше или равно времени заполнения камер 5 гремучей смесью горючего и воздуха (кислорода), т.е. когда гремучая смесь не успевает вытечь из камеры 5 в корпус 1 или 13 (фиг.9).

Впускные устройства 4 могут быть выполнены, например, в виде пластинчатых обратных клапанов 22 и 23. При "открытой" схеме (фиг.9) клапан 23 может отсутствовать, его роль выполняет клапан 16. Клапаны 16,21-23 выполнены стабилизирующимися центробежными силами: клапаны 16 и 21 закрыты, клапаны 22 и 23 открыты.

В исходном положении редукторы 7 настраивают так, чтобы секундный массовый расход горючего из источника (баллона) 6 составлял при смешении с воздухом (окислителем) гремучую (детонационную) смесь. Горючее поступает в камеры 5 через коллектор 8, полость вала 2 и устройства 4, а воздух - через соответствующий коллектор и магистраль 11 при одноконтурном (фиг.1) и двухконтурном (фиг. 2) вариантах. В случае "открытой" схемы (фиг.3) воздух уже заранее заполняет камеры 5.

Затем осуществляют раскрутку вала 3, например, стартером и включают прерыватель 17 - на свечах 12 проскакивает искра и в камерах 5 происходит взрыв гремучей смеси. При этом давление в камерах 5 скачкообразно повышается с величины Р_а до Р_о (фиг.10,11), клапаны 21, если они есть, открываются избыточным давлением и продукты детонации выбрасываются наружу (в корпус 1 при одноконтурном варианте, в корпус 13 при двухконтурном варианте и в атмосферу при "открытой" схеме), создавая на валу 2 требуемый импульс крутящего момента. При взрыве в камерах 5 клапаны 22 и 23 (или 22 и 16) закрываются избыточным давлением, препятствуя нежелательному истечению газов.

Импульсный выброс продуктов детонации характеризуется нестационарным движением волн разрежения к дну камеры 5 (фиг.7 и 9) или квазистационарным истечением этих продуктов через сопло (фиг.8), но в любом случае в камере 5 возникает разрежение (когда Р < Р_а, фиг.10 и 11), обеспечивающее всасывание в нее газа из полости вала 2. После наполнения камер 5 детонационной (гремучей) смесью вновь (через период t_Σ, фиг.10) срабатывает прерыватель 17, обеспечивая искру на свечах 12 и взрыв смеси. Постоянное повторение этого цикла и обеспечивает функционирование двигателя.

При одноконтурном варианте (фиг.1) продукты детонации из камер 5 поступают в корпус 1, а оттуда через трубу 10 выбрасываются в атмосферу. Крутящий момент при этом от вала 2 передается непосредственно на выходной вал (хвостовик) 3. Так же момент передается и при открытой схеме (фиг.3).

При двухконтурном варианте (фиг. 2) продукты детонации, вырываясь из камер 5 и обладая значительной скоростью, попадают на ребра 14 внутреннего корпуса 13, обеспечивая его вращение в противоположную сторону. Через зубчатую передачу вращающий момент передается на выходной вал 3. Продукты детонации из корпуса 13 через коллектор 15 выбрасываются в выхлопную трубу 10.

Регулировка мощности предлагаемого двигателя осуществляется через систему управления 18 изменением периода t_Σ срабатывания прерывателей 17 (т.е. свечей 12), а также изменением давления горючего газа в валу 2 и воздуха в магистрали 11 (оно может очень немного отличаться от атмосферного Р_а и быть таким, чтобы преодолеть гидравлическое сопротивление магистралей и за требуемое время наполнять камеры 5 гремучей смесью).

Остановка двигателя может осуществляться путем размыкания прерывателей 17 и перекрывания редуктора 7. Одновременно может быть произведена продувка полостей воздухом через магистраль 11.

Нежелательные вибрации, которые могут иметь место при работе двигателя, сводятся к минимуму очередностью срабатывания свечей 12 в камерах 5 (фиг. 16), а также инерцией вращающихся частей двигателя.

Предлагаемый двигатель может быть установлен стационарно, а также на автомобилях (фиг.13), объектах авиационной техники (фиг.14) и др. На автомобилях он может быть размещен вверху, так как благодаря значительному гироскопическому эффекту препятствует опрокидыванию.

Таким образом, предлагаемый детонационный двигатель обладает высокой эффективностью: он не требует операции сжатия горючей смеси как в ДВС, сопряженной с затратами энергии; не содержит коленвала и возвратно-поступательно движущихся частей, требующих тщательного уравновешивания; прост конструктивно, обладает малой массой, не требует тщательной герметизации и может быть легко управляем.

Позволяя использовать детонационный эффект, который стараются избежать во всех ДВС, для обеспечения функционирования, двигатель не требует системы охлаждения, обладает повышенным КПД и большим ресурсом. Это позволяет широко использовать его в стационарных и движущихся объектах.

Изобретение относится к двигателестроению и направлено на повышение эффективности двигателей за счет снижения массы, нагрузок, увеличения ресурсов в импульсном режиме работы. В одноконтурном и двухконтурном вариантах двигатель содержит корпус 1 с полым валом 2, на котором попарно размещены камеры 5 сгорания с воспламенительными свечами 12 системы зажигания и впускными устройствами 4 горючего и окислителя. Полый вал связан с одной стороны с коллектором 8 подачи горючего газа, а с другой с впускными устройствами 4. Внутри полого вала 2 размещены магистраль 11 подачи окислителя, связанная с одной стороны с подающим коллектором, а с другой с впускными устройствами 4. В одноконтурном варианте корпус 1 выполнен герметичным и связан с выхлопной трубой 10, а в двухконтурном варианте внутри основного корпуса размещен внутренний герметизированный корпус с газодинамическими ребрами и коллектор, связанный с выхлопной трубой 10. Двигатель может быть выполнен и по "открытой" схеме без корпуса и магистрали подвода окислителя, в передней части камеры сгорания которого размещен впускной пластинчатый клапан. Камеры сгорания в обоих вариантах могут быть выполнены как в трубчатом виде, так и в сопловом, а на срезе трубы или в докритической части сопла могут быть установлены запорные клапаны. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 16 ил.

ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ).